量子计算机
作者:  来源:   2016-04-19 00:00:00

量子计算机(quantum computer),顾名思义,就是实现量子计算的机器。它是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机应用的是量子比特,可以同时处在多个状态。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。

量子计算机的基本概念

  量子计算机,顾名思义,就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算,首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号串行按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。

  经典计算机具有如下特点:

  其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制串行0110110,用量子记号,|0110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态:C1|0110110 >+ C2|1001001>。

  经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,经典计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。

  相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子位(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的正变换。

  因此量子计算机的特点为:

  量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;

  量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。

  由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。

量子计算机的工作原理

  普通的数字计算机在01的二进制系统上运行,称为比特bit)。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子位(qubit)上运算,可以计算01之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子,它像陀螺一样旋转,于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉,我们原子的旋转可能向上也可能向下,但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中,每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

  现在,想象一串原子排列在一个磁场中,以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方,激光束会跃下这组原子,迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,我们已经完成了一次复杂的量子计算,涉及了许多自旋的快速移动。

量子计算机的历史

  早先由理查德·费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的。可发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生。

  量子计算机,或推而广之——量子信息科学,在1980年代多处于理论推导等等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔(Peter Shor)提出量子质因子分解算法后,因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后,量子计算机变成了热门的话题,除了理论之外,也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

  半导体靠控制集成电路来记录及运算信息,量子电脑则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。

  1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)证明量子电脑能做出对数运算,而且速度远胜传统电脑。这是因为量子不像半导体只能记录01,可以同时表示多种状态。如果把半导体比成单一乐器,量子电脑就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40位的量子电脑,就能解开1024位电脑花上数十年解决的问题。

量子计算机的用途

  1、量子计算机可以进行大数的因式分解,和Grover搜索破译密码,但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。

  2、在利用EPR对进行量子通讯的实验中中我们发现,只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递,任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息,正所谓解铃还需系铃人,这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。

  3、此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟,人们一旦有了量子模拟计算机,就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算,便可精确地研究量子体系的特征。

量子计算机的未来展望

  现在用原子实现的量子计算机只有5q-bit,放在一个试管中而且配备有庞大的外围设备,只能做1+1=2的简单运算,正如Bennett教授所说,现在的量子计算机只是一个玩具,真正做到有实用价值的也许是5年,10年,甚至是50年以后,我国量子信息专家中国科技大学的郭光灿教授则宣称,他领导的实验室将在5年之内研制出实用化的量子密码,来服务于社会!科学技术的发展过程充满了偶然和未知,就算是物理学泰斗爱因斯坦也决不会想到,为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态,在六十多年后不仅被证明是存在的,而且还被用来做量子计算机。

  近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求,促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。

  目前,美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。

  20072月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机(尚未经科学检验),如果他们是诚信的,这个工作的意义就非常重大,或许,可实际应用的量子计算机会在几年内出现,量子计算机的时代真的要开始了!

  2010331日,德国于利希研究中心发表公报:德国超级计算机成功模拟42位量子计算机,该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机,在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。


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